高中物理课万有引力定律教学设计

高中物理课万有引力定律教学设计

　　【教材分析】

　　物理学的发端始于人类对理解星体运行的追求。三百多年前，万有引力定律的发现堪称人类文明与理性探索进程中最壮丽的诗篇，其所体现出的科学智慧的震撼力， 至今仍为世人所叹服，它第一次把看似毫不相关的地上与天上运动统一起来，第一次揭示大自然的对称和谐与物理规律表达简洁而含蓄的内在美，并作为牛顿的“从 运动现象研究自然力”的又一个科学思辨范例，而不断为历代科学家所效仿。从物理学史进程中，可以看出《万有引力定律》这节内容是对上两节课教学内容的进一 步推演，并与之构成本章的第一单元内容。同时，本节内容也是下节课教学内容的基础，是本章的教学重点，在高中物理中占有重要地位。因此万有引力定律的教学 绝不能仅限于具体知识的讲解、记忆与实际的应用，更应强调人类对天体运动的认识以及建立万有引力定律的探究过程，把教学重点放在“引导学生体会万有引力定 律发现过程中的思路和方法”上。然而，除了教材与教参已有的介绍外，我们对物理学史上这段辉煌史实真正了解多少？我们能否把握整个发现过程中的探索脉络， 并将从中领悟到的思想精髓介绍给学生？由此看来，要教好新教材中的万有引力定律一章，适当扩展相应的知识背景，了解有关牛顿引力理论的现代评述，就显得十 分必要了。

　　【学生分析】

　　从知识结构来看，在学习万有引力定律前，学生已经对力、重力、向心力、太阳对行星的引力、加速度、重力加速度、向心加速度等概念有了较 好的理解，并且掌握自由落体运动和圆周运动等运动规律，能熟练运用牛顿运动定律解决动力学问题。已经完全具备深入探究和学习万有引力定律的起点能力。

　　从知识建构的进程来看，在上一节中学生经历了太阳与行星间引力的探究过程，从中向学生渗透了发现问题、提出问题、猜想假设、推理论证等方法思想，依照 学生的认知心理特点，播放两个视频片段月球绕地球转动和苹果落地，很容易在他们脑中形成这样一个问题：地球对月球的引力和地球对苹果的引力会不会就是同一 种力呢？从而为进一步探究万有引力定律的发现过程，确定了切入点。

　　然而高一学生其思维方式容易停滞在知识接受层面，而忽视概念间、规律间的相互联系，且很多学生不能建立明确的动态的物理图像或物理情景，进而无法通过同化 和顺应，完成知识的建构过程。因此，在教学过程中要注重从学生实际入手，依据学生认知规律，注重创设物理情景，创造和谐的课堂氛围，进行互动讨论探究式教 学。

　　【教学目标】

　　1.知识和技能目标

　　（1）掌握月—地检验。

　　（2）知道万有引力定律的内容、表达式和适用条件，会解决简单的引力计算问题。

　　2.过程和方法目标

　　学习物理规律提出猜想—理论推导—实验检验的科学研究方法。

　　3.情感、态度和价值观目标

　　（1）经历万有引力定律的发现过程，激发学生科学探究的兴趣。

　　（2）通过引力常量的测量简介，说明科学研究的长期性，提高学生的科学价值观。

　　【教学重点】

　　万有引力定律及适用条件。

　　【教学难点】

　　月地检验的思路。

　　【教学设计思想】

　　通过提出猜想—理论推导—实验检验过程，让学生在物理情景中主动的参与知识的构建过程，体会这种大胆的猜想、已有理论的应用、巧妙的实验检验和从中体现着的科学探索的精神与方法。

　　【教学设计过程】

　　一、新课引入

　　通过上节课的学习，我们已经知道了太阳与行星间的引力遵从平方反比律： 。

　　公式中的G是比例系数，F是太阳和行星之间的引力，提供行星绕太阳近似圆周运动的向心力，正是这个引力使得行星不能飞离太阳。

　　『设计说明』：通过上述介绍，旨在让学生回忆上节课内容，回顾万有引力定律发现过程的前一半，从而为接下来的研究奠定基础，进而引出新课。

　　二、教授新课

　　（一）提出猜想

　　观察视频，提出问题。（引导学生回答，教师及时纠正补充）

　　月球为什么绕地球做圆周运动？

　　由于月球受到地球对它的吸引力。

　　苹果为什么向下运动而不向上运动？

　　苹果在其重力作用下落向地面。

　　那么受到的重力又是怎么产生的呢？

　　由于地球对苹果的吸引力而产生的。

　　我们很自然的想到，地球对月球的引力和地球对苹果的引力会不会就是同一种力呢？

　　按照我们物理学的研究规律，为了解释某种现象，提出猜想，这是理论，然后再去检验是否正确。物理学就是在不断的检验完善中前进的。同样我们的猜想是否正确也需要事实的检验。那么请同学们思考下面几个问题。

　　『设计说明』：通过月球绕地球运转和苹果自由下落的物理情景，唤醒学生脑中当年由苹果落地而引起遐想进而发现万有引力定律的故事情景，激发学生的兴趣与想像力。

　　（二）月地检验

　　创设问题情境，学生讨论，教师引导，互动探究。

　　检验天上和地上的力是否是同一种力，需要选谁为研究对象？

　　假定设想成立，天上和地上是同一种力，遵循相同的规律—平方反比律，那么苹果和月球受到的力该如何表示呢？

　　（这是理论猜想）

　　实际上月球受到的`力可以如何求解呢？

　　（提示：通过天文观测，我们已经知道了月球绕地球做圆周运动，能不能利用圆周运动的知识来求解呢？）

　　而苹果受到的力我们已经知道为 。

　　接下来，请同学们思考，要验证我们的猜想，我们需要测量什么物理量？验证什么表达式呢？

　　（学生回答，教师引导总结。）

　　我们猜想天上地上是同一种力，天上的力是猜想，是理论，地上的力是实际，是检验，我们就是要验证猜想和实际是否相等。只选择一个研究对象月球或苹果，因比 例系数G未知，所以无法检验。我们可以选取两个研究对象，研究它们的比值关系，实际就是月球和苹果的加速度关系，来完成实验的检验，这就是著名的月地检 验。我们一起来看一下检验的思路。

　　检验思路

　　①通过猜想利用引力的平方反比律和牛顿第二定律计算地球表面苹果的加速度和月球的向心加速度。

　　②通过实验观测，利用已有规律，得到月球的向心加速度和地球表面苹果的加速度。

　　③综合以上结果，看加速度比值关系，比较猜想与实验观测的数据，得出结论。

　　好，请同学们开始验证。展示学生的推导过程。

　　结论：在误差允许的范围内，理论推导与实验观测得到的结果是相等的。

　　『设计说明』：通过创设问题情景，引导学生讨论探究检验思路，进行定量计算，掌握月地检验，用无可辩驳的事实证明猜想的正确性，增强学生的理性认识，学习物理规律提出猜想—理论推导—实验检验的科学研究方法，同时经历万有引力定律的发现过程，激发学生科学探究的兴趣。

　　（三）万有引力定律

　　猜想：宇宙中一切物体之间会不会都存在这样的力呢？

　　现在我们提到万有引力似乎是老生常谈，但是，牛顿当时的魄力、胆识和惊人的想象力实在让我们佩服。这最后一步假设，虽然无法得到直接验证，但是我们也没有反驳它的理由，而且，以后的无数事实都支持了这一点—万有引力定律。请同学们看课本了解定律的内容。

　　1.内容

　　自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体的质量m1和m2的乘积成正比，与它们之间距离r的二次方成反比。即

　　――《自然哲学的数学原理》1687年牛顿著

　　式中各物理量的含义及单位：F为两个物体间的引力，单位：N；m1、m2分别表示两个物体的质量，单位：kg；r为两个物体间的距离，单位：m；G为万有引力常量。

　　2.引力常量

　　牛顿得出了万有引力与物体质量及它们距离的关系，但却无法算出两个天体之间万有引力的大小，因为他不知道引力常量G的值。这个问题在一百多年以后，才被英 国的物理学家卡文迪许（1731年－1810年）在实验室里通过扭秤对几个铅球之间的万有引力测量而解决，测出了引力常量G。（展示课件图片，简单讲解实验的原理与思想：铅球之间的引力使T形架转动，带动金属丝扭转，我们可以利用力矩平衡的知识来计算铅球之间的万有引力的大小。因金属丝的扭转程度很小，不易观察测量，所以在T形架上安装了一个小镜，让激光器照出的激光经小镜反射后落在标尺上，小镜转动后，测量光点在标尺上移动的距离，利用光放大的原理确定金属丝的扭转程度，进而测出引力，确定引力常量。）

　　目前推荐的标准值为G＝6.67259×10－11N·m2/Kg2，通常取G＝6.67×10－11N·m2/Kg2，（板书：引力常量G＝6.67×10－11N·m2/Kg2）它在数值上等于质量是1Kg的物体相距1米时的相互作用力，单位：N·m2/kg2。 （强调掌握物理常量数量级的重要性）和以后我们将学习的静电力常量一样，引力常量是自然界中少数几个最重要的物理常量之一。完成扭秤试验后，卡文迪许又测 量了多种物体间的引力，所得结果与利用引力常量G按万有引力定律计算所得结果相同。所以，引力常量的普适性成为万有引力定律正确性的见证，它为万有引力定 律的普遍意义奠定了强有力的实验基础。在导学案上，给大家准备了引力常量测定的资料介绍，希望同学们课下自己阅读，了解其实验的原理与思想。

　　万有引力定律我们已经得到。

　　问题：如何使用万有引力定律进行简单的计算呢？学生讨论回答。

　　好，请看问题！两个质量均为50Kg的人互相接触时的万有引力如果用定律计算，结果好像是无穷大，那么这两个人永远不会分开了。是我们好不容易得到的定律错了？还是我们在使用定律时忽视了什么呢？这就是我们要继续学习的万有引力定律的适用条件。

　　3.适用条件

　　（1）万有引力定律只适用于质点间引力大小的计算。当两物体间的距离远远大于每个物体的尺寸时，物体可以看成质点，直接使用万有引力定律计算。（模型）

　　研究相互接触的两个人之间的万有引力时，不能把他们看作质点。

　　（2）当两物体是质量均匀分布的球体时，它们间的引力也可直接用公式计算，但式中的r是指两球心间距离。

　　研究太阳和地球之间的万有引力，可以把它们看作质量均匀的球体。

　　当研究物体不能看成质点时，可以把物体假想分割成无数个质点，求出两个物体上每个质点与另一物体上所有质点的万有引力，然后求合力，这是微积分的思想。

　　万有引力定律产生于对太阳系行星运动的研究，但它对物质运动的适用性却要广泛得多。可以这样说，宇宙中凡有引力参与的一切复杂的现象，无不要归结到这样一条十分简洁的定律之中，这不能不使人惊叹宇宙万物超乎寻常的和谐及人类理性思考所具有的统摄力。

　　4.实践探究

　　创设情景：既然自然界中任何两个物体间都有万有引力，那么在日常生活中，我们各自之间或人与物体之间，为什么都对这种作用没有任何感觉呢？

　　根据情景中数据，学生进行估算：

　　①请估算两位同学，相距5m远时它们间的万有引力多大？（可设他们的质量为50kg）

　　解：由万有引力定律得：

　　代入数据得：F1=6.67×10-9N

　　②已知地球的质量约为6.0×1024kg，地球半径为6.4×106m，请估算其中一位同学和地球之间的万有引力又是多大？

　　解：由万有引力定律得：

　　代入数据得：F2=489N

　　小结：由此可见通常物体间的万有引力极小，一般不易感觉到。而物体与天体间的万有引力（如人与地球）就不能忽略了。

　　5.对万有引力定律的理解

　　①普遍性：万有引力存在于任何两个物体之间。

　　②相互性：两个物体相互作用的引力是一对作用力与反作用力。

　　③特殊性：两个物体间的万有引力和物体所在的空间及其他物体存在无关。

　　④适用性：只适用于两个质点间的引力。

　　6.意义

　　万有引力定律的发现对物理学、天文学的发展具有深远的影响；以前上千年才能观测到一颗行星，通过万有引力定律的指导，我们在指定位置很快就发现了新的行星，给人们探索自然的奥秘建立了极大信心。

　　『设计说明』：让学生知道万有引力定律的内容、表达式和使用条件，体会物理学许多重大理论的发现，不是简单的实验总结，它需要直觉、想像 力、大胆的猜想和假设。通过阅读材料，使学生体会卡文迪许扭秤实验精巧的实验方法，知道科学研究的长期性，提高学生的科学价值观。通过题目练习，学生进行 估算和比较，从中锻炼学生的估算能力，体会万有引力常量数量级的重要性，加深对万有引力定律的理解。

　　【课堂小结】

　　学生体会：发现万有引力定律的思维过程：提出猜想──理论推导──实验检验

　　『设计说明』：通过黑板或多媒体展示本节课知识，在教师引导下，帮助学生构建自己的知识框架。

　　【布置作业】

　　1.阅读资料，了解引力常量的测量原理和方法。

　　2.课本问题与练习2、3题。

　　『设计说明』：通过学生课下阅读引力常量的测量简介资料，说明科学研究的长期性，提高了学生的科学价值观。

　　【教学设计后记】

　　本节课我对牛顿发现万有引力定律的过程，通过创设问题情景，让学生以科学家的角度分析、思考问题，经历万有引力定律的发现过程，激发学生科学探究的兴趣，体会牛顿的伟大，了解科学家提出猜想—理论推导—实验检验的科学研究方法。

　　在本节课的教学中，我通过精心设计问题，引导学生从选择研究对象入手，设计检验过程，基本解决了学生对月地检验的理解困难，用事实引导学生经历万有引力定律的得出过程，加深了学生对万有引力定律的认识。

　　总体说来，教学目标基本实现。